Пролог
Почти 15 лет тому назад шведский концерн SAAB, известный эксперт в области моторных технологий, в очередной раз возмутил спокойствие мировой автомобильной общественности. На мотор-шоу 2000 года в Женеве он продемонстрировал сенсационный результат многолетней работы над проектом SVC (SAAB Variable Compression) – прототип искрового двигателя с механическим нагнетателем и переменной степенью сжатия. Общественность «возмутили» как фантастические мощностные характеристики агрегата, так и его скромный аппетит. Рядная «пятерка» объемом 1,6 л развивала номинальную мощность и максимальный крутящий момент, характерные для 3-литрового двигателя V-6 (225 л.с./5800 мин-1 и 333 Нм/4000 мин-1 соответственно). При испытаниях SVC-мотора в составе автомобиля SAAB 9-5 расход топлива в комбинированном цикле составил всего 8,3 л/100 км.
Возбудитель автомобильной общественности, прототип двигателя SVC
Столь великолепная комбинация компактности, тяговых характеристик, расхода топлива и соответственно токсичных выбросов сулила в наступившем XXI веке радужные перспективы и шведскому концерну, и всему мировому автопрому. Недаром SVC-концепт тут же был удостоен нескольких наград от устроителей женевской выставки и ряда автомобильных изданий. В восторженных комментариях многих серьезных автоспециалистов высказывалось мнение, что начало массового производства SVC-двигателей – дело двух-трех лет. Меж тем минуло уже без малого 15, а «саабов» с чудо-моторами нет как нет. Страсти вокруг нашумевшего SVC-проекта улеглись, свежей информации о его дальнейшей судьбе не найти. Горячие головы из числа поклонников SAAB «катят бочки» на руководство GM – мол, те специально заморозили проект, который грозил вбить кол в производство многолитровых «джи-эмовских» «бормотографов» и пустить под откос целую отрасль их американской промышленности. В общем, история любопытная. Можно сказать, детективная. Чтобы в ней объективно разобраться, нужно вначале понять, в чем суть идеи изменения неизменного.
Почему пропадает компрессия мотора
Компрессия двигателя измеряется там, где собственно и создается, а именно — в цилиндрах. Компрессия — это степень сжатия газов — давление которому подвергается топливо-воздушная смесь в момент воспламенения. От взрыва топливо-воздушной смеси происходит расширение газов,которые толкают поршень, превращая энергию взрыва в движение. Способность сдерживать этот взрыв в цилиндре и называется компрессией, степенью сжатия двигателя. Любая утечка из цилиндра влечет потерю компрессии, что снижает мощность двигателя.
Как измерять компрессию двигателя подробно рассмотрено в этой статье.
Причины снижения компрессии двигателя
Впускные и выпускные клапана в автомобильных двигателях обычно расположены сверху цилиндров. Впускные клапаны открываются для впуска в цилиндры топливо-воздушной смеси для окисления (сгорания). После сгорания открываются выпускные клапаны для удаления выхлопных газов.
Плохие клапаны вызывают перегрев двигателя. Шток клапана от перегрева может деформироваться, что повлечет неправильную работу клапана и утечку мощности. Как результат — потеря компрессии.
треснувшие клапана
Выпускные клапана чаще всего выходят из строя так как подвергаются воздействию высоких температур выхлопных газов, которые достигают 1200 — 1350 градусов. Перегретый клапан может треснуть или деформироваться в разных частях, что опять же приводит к утечке мощности, и снижению компрессии.
нагар на клапанах
Клапана также могут покрываться углеродистым налетом продуктов сгорания. Иными словами копченые клапана. Это происходит из-за постоянного прохождения выхлопных газов через них. Разрушается седло клапана, он недозакрывается, т. е. закрывается негерметично. Как следствие опять же снижение компрессии.
Износ поршня, как причина снижения компрессии
Поршни расположены в цилиндрах. Когда происходит сгорание, то горячие газы толкают поршень. Поршень через шатун передает движение на коленчатый вал. Негерметичность между поршнем и цилиндром влечет снижение компрессии и потерю мощности.
Если в двигателе в разных цилиндрах компрессия сильно отличается, то это влечет деформацию такой дорогой детали, как коленчатый вал. Думаю тут понятно — разные нагрузки на вращающийся коленвал производят эффект скручивания.
Работа всех цилиндров должна быть сбалансирована, иначе грозит капитальный ремонт двигателя. Более того, может оборвать шатун поршня. Один из частных случаев — это, стукнувший движок, так называемый, «кулак дружбы».
Итак одна из причин прогорания поршня — это перегрев. Когда происходит перегрев, то на поршнях формируются пятна. Утечки через поршень приводят к снижению компрессии так как газы не наполняют камеру сгорания.
Кроме прогорания поршня могут прогорать и залегать поршневые кольца, которые обеспечивают герметичность камеры сгорания и не дают выхлопным газам выходить за пределы цилиндра по ходу поршня до момента открытия выпускных клапанов. Только так должны покидать цилиндр выхлопные газы.
Причинами прогоревшего поршня или износа поршневых колец могут стать плохие свечи зажигания, использование топлива с низким октановым числом, неисправный инжектор.
Неисправность головки блока цилиндров
Головка блока цилиндров (ГБЦ) устанавливается сверху на блок цилиндров, что понятно также из названия. Предназначена для непосредственного выполнения впуска топливо-воздушной смеси и выпуска. В ГБЦ установлены впускные и выпускные клапана.
Крепится к блоку цилиндров специальными болтами, затянутыми под определенной нагрузкой, называемой моментами затяжки. ГБЦ и блок цилиндров разделены прокладкой. Если прокладка ГБЦ пробита, то выхлопные газы попадают в блок цилиндров. Причиной протекания прокладки ГБЦ является также перегрев.
Например, если стоя в пробке в автомобиле не включился вентилятор и двигатель закипел, и водитель не уследил за температурой. Прокладка прогорает и в цилиндры попадает антифриз. Соответственно и выхлопные газы проникают в систему охлаждения. Компрессия, естественно, падает.
Кроме того в результате перегрева двигателя происходит деформация ГБЦ, а иногда и блока цилиндров.
О том как происходит капитальный ремонт двигателя, в чем заключается капиталка мотора — в наших материалах, на живых примерах.
Что такое компрессия двигателя?
Compressio («компрессия») переводится с латинского языка как «сжатие». Этим термином обозначается предельный уровень давления воздуха в камере сгорания, создаваемый во время прокрутки стартером в момент достижения поршнем максимально высокой точки. Компрессия – это давление, которое измеряется в завершении такта сжатия. От её уровня зависит техническое состояние мотора и следующие процессы:
- расход масла;
- сгораемость бензинового или дизельного топлива;
- простота запуска.
Чем выше параметр компрессии, тем лучше сжимается рабочая смесь. В результате посторонние газы не попадают в картер мотора. Это увеличивает КПД силового агрегата. Компрессия, соответствующая показателю, установленному автопроизводителем, является гарантией оптимального режима работы ДВС.
О различиях между степенью сжатия и компрессией
Стоит различать понятия «компрессия» и «степень сжатия». Первая измеряется в определённых единицах (паскалях, атмосферах и т.д.), а вторая – нет. Степень сжатия показывает, во сколько раз размер камеры сгорания меньше, чем полный объём цилиндра. Это постоянная величина, которая указывается автопроизводителем в техдокументации.
Получается, что степень сжатия напрямую влияет на компрессию. Но не наоборот! Компрессия изменяется из-за огромного количества рабочих параметров (регулировка фаз газораспределения и др.). На неё влияет и наличие или отсутствие протечек в камере сгорания, которые появляются из-за проблем с цилиндрами и кольцами.
Влияние компрессии на работоспособность силового агрегата
От этого показателя давления зависит запуск двигателя, особенно в зимний период эксплуатации автомобиля.
Компрессия должна обязательно интересовать владельцев машин с дизельной силовой установкой. В моторах, работающих на тяжёлом топливе, на процесс воспламенения горючего напрямую влияет и температура, и давление конца сжатия.
Бензиновые агрегаты лучше приспособлены к изменениям компрессии. Однако следить за ней всё равно необходимо. Главная причина заключается в том, что компрессия влияет на испаряемость горючего
Это очень важно при старте мотора «на холодную»
О сниженной и неравномерной компрессии по цилиндрам
Различные значения компрессии в топливных цилиндрах способствуют появлению вибраций и неприятных дёрганий на холостом ходу и невысоких оборотах. Такой режим работы ДВС негативно сказывается на техническом состоянии коробки передач и подвеске мотора. Более того, водителю и пассажирам становится менее комфортно во время поездки.
Сниженный показатель компрессии является причиной увеличенного давления отработавших газов. В результате повышается токсичность выхлопа, а камера сгорания быстрее загрязняется.
Какая компрессия считается оптимальной для дизельного и бензинового двигателя?
Чтобы определить оптимальное давление конца такта сжатия, необходимо использовать следующую формулу.
Компрессия = специальный коэффициент для ДВС х степень сжатия
Коэффициент указывается для каждого класса силовых установок. Для 4-тактных бензиновых моторов с инжекторной системой питания этот параметр равен 1,2-1,3. Таким образом, для силовых установок со степенью сжатия от 8 до 9 компрессия составляет от 10,4 до 11,7 атм.
С дизельными моторами иная ситуация. Компрессия в двигателе на соляре значительно выше по сравнению с бензиновыми двигателями. Чтобы горючее нагрелось до температуры, необходимой для воспламенения, потребуется давление от 25 до 33 кг/см2. Окончательное значение зависит от температуры на улице и технического состояния мотора.
Это интересно: Техническая диагностика
Конструкции двигателей
Первый двигатель видеомагнитофона был построен и испытан Гарри Рикардо в 1920-е гг. Эта работа привела к тому, что он разработал октановое число система, которая все еще используется сегодня. Многие компании проводят собственные исследования двигателей видеомагнитофонов, в том числе Saab, Nissan, Вольво, PSA /Пежо-Citroën и Renault. Infiniti QX50 2019 доступен с серийной версией двигателя с регулируемым сжатием с турбонаддувом.
Peugeot MCE-5
Принцип МСЭ-5 («Многоцикловый двигатель – 5 параметров»), двигатель с переменной степенью сжатия производства Пежо.
Конструкция Peugeot основана на изменении эффективной длины шатунов, соединяющих поршень с кривошипом. Чем короче шатун, тем ниже степень сжатия и наоборот. В левой части диаграммы показан обычный поршень двигателя внутреннего сгорания. Справа гидроцилиндр с поршнем двустороннего действия. Это действует через систему стержень-кривошип с зубчатым колесом, движение которого регулирует эффективную длину шатуна и, следовательно, степень сжатия в левом цилиндре.
Saab SVC
Автомобиль SAAB возродили интерес к сжатию переменных, когда они представили SVC двигатель для мира на автосалоне в Женеве в 2000 году. Компания SAAB принимала участие в работе с «Офисом передовых автомобильных технологий» над созданием современного бензин Двигатель видеомагнитофона, который показал эффективность, сопоставимую с эффективностью Дизель. В SAAB SVC был передовым и работоспособным дополнением к миру двигателей видеомагнитофона, но он так и не был запущен в производство из-за банкротства компании.
Дизайн, реализация двигателя видеомагнитофона Ларсена, состояла из моноблочной головки, в которой находилась вся шестерня клапана, и узла коленчатый вал / картер. Эти части были соединены шарниром, который допускал 4 степени перемещения, контролируемые гидравлическим приводом. Этот механизм позволяет изменять расстояние между центральной линией коленчатого вала и головкой цилиндра. В отличие от конструкции Peugeot, эффективная длина шатуна является фиксированной. Для достижения необходимого времени отклика и высокого давления наддува был выбран компрессор, а не турбонагнетатель.
Чтобы изменить Vc, SVC “опускает” крышка цилиндра ближе к коленчатый вал. Это достигается путем замены типичного цельного блока цилиндров двигателя на состоящий из двух частей, с коленчатым валом в нижнем блоке и цилиндрами в верхней части. Два блока навесной вместе на одной стороне (представьте книгу, лежащую на столе, с передней обложкой, расположенной на дюйм или около того над титульным листом). Поворачивая верхний блок вокруг точки петли, Vc (представьте, что воздух между передней обложкой книги и титульным листом) можно изменить. На практике SVC регулирует верхний блок в небольшом диапазоне движений, используя гидравлический привод.
Технология видеомагнитофонов Gomecsys (состояние 2012 г.)
Коленчатый вал Gomecsys Gen4 VCR для 4-рядного двигателя
Gomecsys – это голландская инженерная компания, которая разработала собственную технологию переменной степени сжатия. За последние 5 лет были внесены существенные улучшения, и в настоящее время компания использует двигатели видеомагнитофонов 4-го поколения, работающие на стенде. Одно из больших преимуществ системы – простота. Полная система видеомагнитофона встроена в коленчатый вал, и каждый 4-тактный двигатель можно модернизировать, заменив обычный коленчатый вал на коленчатый вал Gomecsys VCR. Дополнительные технологии экономии топлива, включенные в систему, увеличивают общее сокращение выбросов CO2 до 18%, и это без уменьшения размеров.[нужна цитата]
Infiniti VC-Turbo
Infiniti VC-Turbo – это рядный четырехцилиндровый двигатель с турбонаддувом, в котором используется механическое соединение для изменения степени сжатия. Привод приводится в действие электрическим шаговым двигателем, который вращает нижний распределительный вал. Распределительный вал перемещает тягу, которая прикрепляется к рычагу с тремя отверстиями и вращает его. Центральное отверстие содержит коленчатый вал, а последнее отверстие прикрепляется к шатуну. Перемещение тяги вверх опускает шатун, увеличивая степень сжатия. здесь, из-за противоположного направления силы, действующей на нижний распределительный вал и со стороны шатуна, это уменьшает вибрацию. Таким образом, промежуточный вал уменьшается, а масса нижнего распределительного вала и штока распределительного вала электродвигателя добавляет массу в двигатель.
Изменение степени сжатия – как улучшить показатели?
В наше время инженеры нашли альтернативный способ повысить давление в камере сгорания – это установка турбо-нагнетателя. Установка данного устройства приводит к увеличению давления в камере внутреннего сгорания, при этом объемы самой камеры изменять не нужно. Появление подобных устройств привело к существенному увеличению мощности, вплоть до 50 % от изначальных цифр. Достоинством нагнетателей является возможность их установки своими руками, хотя лучше всего поручить эту задачу специалистам.
Принцип работы нагнетателей всех типов сводится к одному простому действию, которое понятно даже детям. Мы знаем, что мотор автомобиля работает благодаря постоянному сгоранию топливно-воздушной смеси, поступающей в цилиндры двигателя. Производители устанавливают оптимальное соотношение поступающих в цилиндры топлива и воздуха – последний попадает в камеру сгорания благодаря созданию разреженной атмосферы на такте впуска. Нагнетатели же позволяют в тот же объем камеры сгорания подать на впуске больше горючего и воздуха. Соответственно, увеличивается количество энергии при сгорании, растет мощность агрегата.
Быстрее прогорают поршни, изнашиваются клапаны, выходит из строя система охлаждения. Причем если турбонаддув можно установить своими руками, то ликвидировать последствия этого эксперимента далеко не всегда возможно даже в хорошей автомастерской. В особо неудачных случаях модернизации авто его «сердце» может попросту взорваться. Вряд ли нужно объяснять, что страховая компания откажется выплачивать вам какие-либо компенсации по этому прецеденту, возложив всю ответственность исключительно на вас.
В дизельных двигателях отсутствует дроссельная заслонка, в результате этого появилась возможность лучше и эффективней наполнять цилиндры независимо от оборотов. На очень многих современных автомобилях устанавливают такое устройство, как интеркулер. Он позволяет увеличить массу наполнения в цилиндрах на 20 %, что и поднимает мощность двигателя.
Увеличенное давление степени сжатия дизельного двигателя не всегда носит положительный характер и не всегда поднимает его мощность. Рабочая степень сжатия может находиться уже возле своего предела детонации для данного типа топлива, и дальнейшие её увеличение способно снизить мощность и время работы двигателя. В современных автомобилях давление в камере сгорания постоянно находится под управлением и контролем электроники, которая быстро реагирует на изменения работы в двигателе. Прежде, чем выполнить какие-либо операции по увеличению параметров современного «железного коня», обязательно проконсультируйтесь со специалистами.
Мнение эксперта
Руслан Константинов
Эксперт по автомобильной тематике. Окончил ИжГТУ имени М.Т. Калашникова по специальности «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов». Опыт профессионального ремонта автомобилей более 10 лет.
Для большинства дизельных двигателей степень сжатия находится в пределе от 18/22 к 1. Подобные характеристики обеспечивают максимальный КПД силовой установки, а если степень сжатия будет увеличена хотя бы на один процент, мощность поднимается минимум на 2%. Кроме использования турбонаддува повысить эти показатели можно и другими способами.• Система Common Rail.Современная система, которая используется на большинстве современных автомобилей с дизельной силовой установкой. Принцип заключается в том, что топливная смесь подаётся в камеры сгорания всегда с одинаковым давлением независимо от количества оборотов двигателя и мощности. Если в обычной системе сжатие происходит во впускном коллекторе, то в common rail в момент впрыска топлива в камеру. Благодаря этой системе производительность возрастает на 30%, однако эта цифра может отличаться в зависимости от давления впрыска топлива.• Чип-тюнинг.Не менее востребованный способ повышения мощности это чип тюнинг. Принцип доработки заключается в изменении характеристик давления в топливной системе за счёт изменения параметров электронного блока управления двигателем. Чип повышает производительность и КПД мотора, а также отслеживает время подачи топлива в цилиндры. К тому же чип тюнинг позволяет снизить расход топлива и сделать эксплуатацию более экономичной.Чтобы выполнить чип тюнинг самостоятельно, потребуется специальное оборудование, знания и опыт. Установка доработанного контроллера обязательно подразумевает тонкую настройку под конкретный двигатель, также предварительно необходимо провести диагностику. Поэтому для получения гарантированного результата лучше обратиться к профессионалам.
В чём сила моторов с изменяемой степенью сжатия
Эпоха двигателей внутреннего сгорания неумолимо подходит к концу. Но эти старички на излёте достигли невероятного технологического совершенства. Рассказываем об одной из самых крутых фишек ДВС – изменяемой степени сжатия.
https://www.youtube.com/watch?v=LOAI0n2t5Z0\u0026pp=ygV_0JTQstC40LPQsNGC0LXQu9GMINGBINC40LfQvNC10L3Rj9C10LzQvtC5INGB0YLQtdC_0LXQvdGM0Y4g0YHQttCw0YLQuNGPOiDQv9GA0LjQvdGG0LjQvyDRgNCw0LHQvtGC0Ysg0Lgg0L7RgdC-0LHQtdC90L3QvtGB0YLQuA%3D%3D
На протяжении всей истории двигателей внутреннего сгорания разработчики любыми способами пытались выжать из них максимум мощности и крутящего момента на единицу массы и рабочего объёма. Сделать это можно с помощью уймы способов и технических ухищрений. Пожалуй, самый изысканный из них – технология изменения степени сжатия.
Обычные бензиновые и дизельные двигатели внутреннего сгорания имеют фиксированную степень сжатия – величину, определяющую отношение объёма камеры сгорания над поршнем, находящимся в нижней «мёртвой» точке, к объёму, когда поршень находится в верхней «мёртвой» точке.
Для бензиновых движков он варьируется в диапазоне от 8 до 14, а для дизелей – от 18 до 23.
Правда, есть нюанс: на практике чрезмерное повышение степени сжатия приводит к тому, что топливо в цилиндрах двигателя начинает не сгорать равномерно, а взрываться — детонировать.
В результате на больших нагрузках и высоких оборотах движок не просто не выдаёт дополнительную мощность, но и напротив теряет эффективность.
Более того, ударные нагрузки на поршень и камеры сгорания приводят к быстрому выходу агрегата из строя.
Слайд, который я выбрал вместо рекламы.Листай дальше, еще много интересного
Чтобы добиться от ДВС высокой отдачи, нужно заставить его работать во всех без исключения режимах на самой грани детонации, не допуская этого разрушительного явления – на любых оборотах и под любой нагрузкой.
Эффективность сгорания топлива можно изменять увеличением клапанов на цилиндр, изменением графика их работы, оптимизацией места и процесса впрыска топлива и рядом других способов. А можно – и вовсе динамическим изменением степени сжатия.
Вот только сделать это технически очень непросто.
Воплотить технологию динамического изменения степени сжатия двигателей внутреннего сгорания инженеры пытались на протяжении многих десятилетий, однако в металле – на серийных машинах — она воплотилась совсем недавно, в 2016 году.
Опытные образцы так и остались пылиться в лабораториях.
Второй опробованный конструкторами путь – управление высотой подъёма коленвала. В такой конструкции опорные шейки коленвала размещены в эксцентриковых муфтах, приводимых в действие через шестерни электромотором.
Коленчатый вал может в процессе работы опускаться и подниматься, изменяя тем самым степень сжатия. Опытный образец такого мотора был создан немецким Volkswagen в 2000 году. Технологию даже успели обкатать на Audi A6: с 1,8-литрового турбомотора удалось снять 218 л. с.
и 300 Нм крутящего момента. Правда, в серийное производство агрегат так и не пошёл.
Обкатали технологию на 1,6-литровом пятицилиндровом турбомоторе: агрегат развивал 225 л. с. и 305 Нм крутящего момента. Одной из любопытных особенностей стало то, что «кормить» этот движок можно было любым бензином – от 80-го до 98-го: диапазон степени сжатия изменялся в пределах от 8 до 14.
Практика показала, что надёжность у сложного механизма сильно хромала.
Французские инженеры компании MCE-5 Development S.A. явили миру 1,5-литровый турбомотор с изменяемой степенью сжатия от 7 до 18. Со скромного объёма удалось снять 220 л. с. и целых 420 Нм крутящего момента.
В системе применялись шатуны сложной формы с зубчатым коромыслом. Управление поднятием поршня осуществлялось посредством специальных масляных клапанов и электропривода. В серию не пошла и такая технология.
Система Variable Compression Turbo (VC-T) внедрила в конструкцию кривошипно-шатунного механизма мотора дополнительные элементы — коромысла между шатуном и коленвалом.
Управляются они с помощью электромоторов, что позволяет изменять диапазон хода поршня на 5 мм. Казалось бы, ничтожная величина на практике позволяет существенно изменять степень сжатия.
При малых нагрузках н мотор, когда смесь обедненная, используется максимальное сжатие, а в нагруженном режиме, когда бензина впрыскивается много и возможна детонация, мотор сжимает смесь минимально. Это позволяет сдвигать назад угол опережения зажигания, что положительно влияет на отдачу.
Познакомиться с технологичным агрегатом поближе можно, купив, к примеру, QX50 (его мощность на нашем рынке – 249 л. с.).
Каков итог?
Работы над двигателями с изменяемой степенью сжатия ведутся уже не один десяток лет — этим направлением занимались конструкторы Ford, Mercedes-Benz, Nissan, Peugeot и Volkswagen. Инженерами исследовательских институтов и компаний по обе стороны Атлантики получены тысячи патентов. Но пока ни один такой мотор не пошел в серийное производство.
Не все гладко и у Infiniti. Как признаются сами разработчики мотора VC-T, у их детища пока остаются общие проблемы: возросла сложность и стоимость конструкции, не решены вопросы с вибрацией.
Но японцы надеются доработать конструкцию и запустить ее в серийное производство.
Если это произойдет, то будущим покупателям осталось только понять: сколько придется переплатить за новую технологию, насколько такой мотор будет надежен и сколько позволит экономить на топливе.
